臭氧處理對(duì)真菌生長(zhǎng)，化學(xué)成分和代謝的影響

木地板材料的表面形態(tài)特征

 

摘要

研究了臭氧處理和提取對(duì)竹地板和紅橡木地板材料真菌活性的影響。一組木材樣品用環(huán)己烷和乙醇萃取48小時(shí)，以去除可萃取的化合物。將另一組材料暴露于臭氧（2000 ppbv±63 ppbv）中五天。溶劑萃取和

將臭氧處理過的樣品在密閉室內(nèi)于85％±2％RH和30℃±℃下孵育。定期將它們移出以評(píng)估真菌的生長(zhǎng)。臭氧處理導(dǎo)致這兩種木材的化學(xué)成分略有變化。例如，觀察到木質(zhì)素成分的降解是隨著IR譜帶在1450 cm-1到1 cm-1范圍內(nèi)的減少。

1610厘米-1。同樣，臭氧處理過的竹炭樣品和對(duì)照竹樣品在潮濕環(huán)境中暴露十周后被霉菌稍微覆蓋，而直到兩周后，提取的樣品均未見到可見的真菌生長(zhǎng)，這可能是因?yàn)樘崛∥锶コ艘恍┫拗普婢L(zhǎng)的成分。橡木樣品在相同的暴露時(shí)間內(nèi)沒有霉菌生長(zhǎng)的跡象，這表明橡木中含有一些抑制真菌的成分。

 

含義

木質(zhì)纖維素作為可再生建筑材料的利用和研究日益受到公眾的關(guān)注。 但是，當(dāng)木質(zhì)材料暴露于臭氧和濕氣等環(huán)境條件下時(shí)，會(huì)發(fā)生顏色變化，物理和微生物降解。 研究目的是使用各種技術(shù)評(píng)估臭氧處理和提取對(duì)化學(xué)成分和形態(tài)特征的影響，以便更好地了解某些常見木材表面上的降解過程。

 

介紹

建筑材料的選擇取決于許多標(biāo)準(zhǔn)，例如，低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的排放量，耐久性和可回收性。對(duì)于基于纖維素的建筑材料，它們對(duì)霉菌生長(zhǎng)的敏感性非常重要。大量研究表明，在各種產(chǎn)品（例如石膏板上）上霉菌的生長(zhǎng)；纖維素絕緣材料，含纖維素的天花板磚；刨花板，木質(zhì)地板材料[Herrera 2005; Dillavou等。 2007; Karunasena等。 2000]。 Hoang等人的很新研究。 2010年指出，富含纖維素的材料在直接暴露于水或暴露于高濕度后極易發(fā)霉。他們的結(jié)果表明，不同的木質(zhì)材料以不同的水平支持霉菌的生長(zhǎng)，每種材料的化學(xué)成分可能是一個(gè)主要因素，因?yàn)槟承┠静暮刑烊坏目拐婢衔?，可以防止或減少真菌的生長(zhǎng)。實(shí)際上，由于木質(zhì)材料的高分子量組分的復(fù)雜異質(zhì)性（主要包含纖維素（40％至50％）），很難定義其化學(xué)性質(zhì)。木質(zhì)素（15％至35％）;半纖維素（20％至35％）和可溶于溶劑的提取物（3％至10％），例如萜烯，單寧，芳香族和脂肪族酸[MacDonald等。 1969]。近來，臭氧已經(jīng)被提倡對(duì)建筑物進(jìn)行消毒，因?yàn)橐呀?jīng)證明，較高的臭氧水平（1000 ppmv至2000 ppmv）可以使真菌孢子失活[Currier et al。，2001; 2001; Palou等，2003]。然而，臭氧與材料表面的反應(yīng)令人擔(dān)憂，因?yàn)樗鼈兪嵌螕]發(fā)性有機(jī)化合物和顆粒形成的潛在來源[Poppendieck等。 2007]。在造紙工業(yè)中，臭氧通常用于木質(zhì)產(chǎn)品的脫木質(zhì)素處理，因?yàn)樗徽J(rèn)為是分解木質(zhì)素的強(qiáng)反應(yīng)物[Kobayashi等人。 2005]。

 

目前關(guān)于臭氧反應(yīng)和萃取對(duì)臭氧的影響的信息很少。

改變木質(zhì)材料的表面化學(xué)和形態(tài)。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是：

-研究?jī)煞N不同的木質(zhì)地板材料（竹和橡木硬木）的真菌敏感性。

-確定木材提取物對(duì)真菌生長(zhǎng)的影響。

-評(píng)估臭氧處理過的木材表面的抗真菌性。

 

 

方法

本研究選擇了竹地板和橡木地板材料。這些材料是從當(dāng)?shù)毓?yīng)商處購(gòu)買的，然后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前存儲(chǔ)在拉鏈袋中。將材料切成2.3厘米x 2.3厘米的相同尺寸，并用臭氧或如下所述的混合溶劑處理：

 

臭氧處理：將材料樣品放入一個(gè)4升的玻璃燒瓶中，該燒瓶用2000 ppbv±63 ppbv的空氣連續(xù)通風(fēng)5天。臭氧通過使用衰減全反射（ATR）光譜記錄的紅外光譜確定材料表面上的臭氧官能團(tuán)的變化。為了避免由外部因素（例如接觸壓力）引起的光譜差異，將所有木材光譜均歸一化為1030 cm-3譜帶，該譜帶在處理過程中變化的可能性較小[Collom等。 2003;穆勒等。 2003]。

 

溶劑萃?。涸谒魇陷腿∑髦杏铆h(huán)己烷和乙醇的混合物處理另一系列的材料樣品。從ASTM D1105-96標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)整萃取程序，并稍微改變?nèi)軇┖浚ōh(huán)己烷：乙醇= 2：1體積比）。該過程進(jìn)行了三天，每天大約有12個(gè)循環(huán)。提取完成后，將提取的標(biāo)本用于抗真菌性評(píng)估。收集剩余的溶劑并干燥直至恒重，以確定產(chǎn)物中萃取物的百分比。還使用GC / MS分析了提取物中的成分組。

 

然后將經(jīng)過臭氧處理和溶劑萃取的樣品均在相對(duì)濕度為85％±2％，溫度為30℃的調(diào)節(jié)室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，以評(píng)估臭氧處理和萃取對(duì)木材抗真菌性的影響。重要的是要注意，未用臭氧或環(huán)己烷/乙醇處理過的對(duì)照樣品在相似的培養(yǎng)箱中孵育。用光學(xué)顯微鏡在3個(gè)月內(nèi)定期監(jiān)測(cè)所有材料，以檢測(cè)材料表面的真菌生長(zhǎng)。此外，為了更好地了解兩種材料的吸濕性，使用IGASORP吸附分析儀確定每個(gè)10％RH步驟的平衡水分含量。重要的是要注意，除水分等溫線實(shí)驗(yàn)外，所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行兩次或三次。等溫線分析儀的公布精度不到5％。

 

結(jié)果

圖1顯示了在幾個(gè)孵育時(shí)間步驟（第0周，第11周和第13周）中竹材背面的霉菌生長(zhǎng)。在第10周后，在對(duì)照和臭氧處理的樣品上觀察到可見的真菌生長(zhǎng)，而在第13周之前，在溶劑處理的樣品上未檢測(cè)到真菌。與對(duì)照或溶劑萃取的樣品相比，在臭氧處理的樣品上生長(zhǎng)的真菌也更多。需要進(jìn)一步分析以驗(yàn)證這一觀察結(jié)果。有趣的是，沒有橡樹標(biāo)本在背面顯示出真菌生長(zhǎng)（數(shù)據(jù)未顯示）。

圖1：竹地板材料背面的真菌生長(zhǎng)觀察

 

吸水率

圖2顯示了未經(jīng)處理的橡木和竹子樣品在30℃和大氣壓下的吸濕等溫線。兩種材料均顯示出相同的吸濕模式，隨濕度變化。有趣的是，在相對(duì)濕度介于0％至70％之間的情況下，竹子吸收的水比橡木少。但是，竹子的吸濕率比RH較高的橡樹大，在70％到90％之間，這導(dǎo)致兩個(gè)吸附等溫線之間發(fā)生交叉。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用（例如地板）非常重要，因?yàn)樵诘湫偷氖覂?nèi)環(huán)境條件下，竹子中的水分含量少于橡木中的水分含量。但是，在濕度很高的環(huán)境中會(huì)發(fā)現(xiàn)相反的情況。

圖2. 30℃溫度下的等溫線圖。

 

木制品的紅外光譜

圖3顯示了未經(jīng)處理和經(jīng)臭氧處理的橡木樣品的紅外光譜。兩個(gè)樣品之間的差異光譜以粗線顯示，正峰代表增加，反之亦然。對(duì)于竹材料也發(fā)現(xiàn)了相同的觀察結(jié)果。很明顯，臭氧處理后，木材材料上觀察到輕微變化。羥基（OH）基團(tuán)（3350 cm-1）的強(qiáng)烈廣泛拉伸和2920 cm-1-3000 cm-1區(qū)域的C-H拉伸顯示強(qiáng)度增加。相反，在1750 cm-1和1040 cm-1范圍內(nèi)的條帶強(qiáng)度降低。這種衰減似乎代表了通過臭氧處理對(duì)木質(zhì)素和纖維素成分的降解。

圖3.未處理和臭氧處理的橡木的FT-IR光譜

 

木制品的提取成分

GC / MS結(jié)果表明，提取物分別占橡木和竹子干物質(zhì)質(zhì)量的3.4％±0.4％和2.6％±0.3。同樣，在橡木提取物中發(fā)現(xiàn)了香蘭素，糠醛成分，丁香醛和其他酚類，而竹提取物包括苯甲酸，癸醛和其他醛。

 

討論

在有利的環(huán)境條件下（例如，RH = 80％至90％；溫度= 30℃），如果提供營(yíng)養(yǎng)（來自物質(zhì)成分或外部來源），真菌的孢子就會(huì)發(fā)芽。顯然，不同的物質(zhì)在不同程度上支持真菌的生長(zhǎng)，

因?yàn)橛行┎牧咸峁┝巳菀妆徽婢纸獾?ldquo;食物”，而另一些則包含了可能抑制真菌生長(zhǎng)的有毒化合物[Hoang等。 2010]。在這項(xiàng)研究中，在潮濕的房間中孵育10周后，竹子樣品上的真菌生長(zhǎng)明顯，而橡木則沒有顯示出對(duì)真菌生長(zhǎng)的支持。可能的原因是橡木地板材料中含有香蘭素和其他可使真菌孢子失活的酚類成分[López-Malo等。 1997]。然而，眾所周知，竹子由于其豐富的淀粉和糖分而易受真菌的侵害[Li 2004，Zhang等。 2010]。另外，吸附

圖2所示的等溫線表明，在實(shí)驗(yàn)條件下（RH = 85％；溫度30℃），竹子可以更快地吸收水分，并且比橡木具有更高的水分含量。 Hoang等。 2010年，纖維素基材料中的霉菌生長(zhǎng)速率與其平衡水分含量[EMC]呈正相關(guān)。換句話說，EMC較高的材料似乎更容易發(fā)霉。因此，EMC可用作評(píng)估纖維素基材料中霉菌生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)。在不同的竹子樣本中發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)有趣的真菌生長(zhǎng)觀察結(jié)果。經(jīng)過臭氧處理的標(biāo)本比其他在臭氧下的真菌生物量更高。

相同的實(shí)驗(yàn)條件。這一發(fā)現(xiàn)表明，臭氧處理可能會(huì)分解某些木材成分，并產(chǎn)生更多有利于真菌生長(zhǎng)的化合物。例如，圖3中的紅外光譜顯示臭氧處理后木質(zhì)素的降解，這可能會(huì)使木質(zhì)材料更容易受到真菌侵襲。另外，少得多

在溶劑萃取的樣品上觀察到生長(zhǎng)；甚至真菌也需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能開始在這些樣品上發(fā)芽。有可能提取了一些真菌類成分。在Zhang等人的很新研究中也觀察到了相同的觀察結(jié)果。 2010年。他們發(fā)現(xiàn)一些不同種類的竹子中含有可促進(jìn)竹生物量侵染的提取物。

真菌目前尚未討論具體成分，這表明需要進(jìn)一步研究。

 

結(jié)論

研究表明，內(nèi)部成分，例如提取物，對(duì)木質(zhì)材料的抗真菌性起關(guān)鍵作用。例如，橡樹含有抑制性化合物，如香蘭素，可增加對(duì)真菌生長(zhǎng)的抵抗力。臭氧處理通過分解一些高分子量化合物（例如木質(zhì)素和纖維素）而稍微改變材料的化學(xué)成分。建議如果選擇臭氧作為建筑物的污染物，則應(yīng)考慮這些影響。